当今世界，全球每年消耗化学品数以亿吨计。那么，生产这些化学品的能量来自哪里呢？答案是燃料燃烧。化石燃料燃烧一方面释放大量的能量供人类使用，另一方面也贡献了约1/7的温室气体。

氢气是化工领域不可或缺的重要原料，目前工业制氢的常用工艺之一就是甲烷蒸汽重整，全球约50%的氢气来源于该工艺。大规模蒸汽重整制氢会直接产生CO₂副产物，此外，通过燃烧化石燃料加热反应堆会进一步增加CO₂的排放。该工业过程中，每产生1公斤H₂释放9 kg CO₂，其中四分之一来自燃料燃烧。除此之外，甲烷蒸汽重整工艺存在的另一个关键问题在于催化剂床层加热不均匀，导致大部分催化剂严重失效。因此，如何取代化石燃料供能，以减少对环境的影响，成为了全球科学家多年来孜孜以求的重要目标。

新方案：电加热

有鉴于此，丹麦科技大学Ib Chorkendorff和丹麦托普索公司Peter M. Mortensen等领导的科研团队提出了一种基于电加热金属管反应器的全新解决方案，为化学工业大规模引进电气化工艺提供了更多可能。

他们利用电加热反应堆代替燃气蒸汽重整反应堆，改善了加热的均匀性和催化剂的使用，避免了燃料燃烧产生的排放，这种替代方法可能使全球CO₂排放量降低1%左右。

在电加热反应器中，反应器壁涂有催化剂层。这层催化剂层具有一定的电阻，当电流流过电阻时就会加热，这种加热行为是基于焦耳效应产生。研究表明，利用电加热源和催化反应位点之间的紧密接触，可以使反应接近热平衡并提高选择性和产率。

电从哪里来？

那么，电从哪里来呢？目前，电力的产生主要基于化石燃料燃烧，为全球温室气体排放量贡献了1/3。来源于太阳能，风能，地热能，沼气，合格生物质的绿色电力仅占世界能源消耗总量的3%，尽管欧盟15%的电网供应都贴上了绿色标签。所以，电气化进军化工领域，解决环境问题的前提，就是让电力生产和储存技术搭上可再生能源的便车，否则步履维艰。

对于太阳能和风能等间歇性可再生能源，可以以化学品的形式来储存能量，譬如将绿色电能储存在氨，甲醇和二甲醚中，这将有助于供需平衡。这种“化学能源”将影响大宗化学品的整个市场，如氨，轻质烯烃，甲醇和芳烃、液体燃料等等。

电，岂止用于加热

与热能不一样的是，电能原则上可以完100%利用。因此，将电能用于加热并不注意充分发挥其潜力。电力生产商将越来越多地与过程工业整合，德国化学公司，钢铁厂和废物处理公司之间开始联盟，将钢铁工业排放的CO₂与厌氧消化有机废物的生物甲烷组合来产生CO和H₂，然后用于还原铁矿石。然而，考虑到经济、社会和技术因素之间的综合作用，电力供热似乎是化学公司目前可以优先大规模实施的第一种电气化方案。

在此之后，科学家将有望直接用电来制造分子，譬如直接把水电解成氢气和氧气，使用等离子体从甲烷中生成乙烯。另外，全新的分离过程和电加热方案将减少简化工艺，优化生产流程，从而大大减少初始资本投资并促进新兴技术的发展。

总之，如何从可再生能源中获取电力，不仅是化学工业革新的关键，也是航空航天领域获得具有更高体积能量密度液体燃料的重要需求。电气化为化学品和燃料的可持续生产提供了全新的思路，带来了更多的希望。

参考文献：

[1]Sebastian T. Wismann et al. Electrified methane reforming: A compact approachto greener industrial hydrogen production. Science 2019, 364, 756-759.

https://science.sciencemag.org/content/364/6442/756

[2]Kevin M. Van Geem, Vladimir V. Galvita, Guy B. Marin. Making chemicals withelectricity. Science 2019, 364, 734-735.

https://science.sciencemag.org/content/364/6442/734